KR20160056276A - 전기 화학 셀 - Google Patents

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KR20160056276A
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film
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다카시 오노데라
료 사토
다다히토 스즈키
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세이코 인스트루 가부시키가이샤
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Abstract

[과제] 베이스 용기의 바닥면에 설치된 패드막과 셀 리드의 용접시에 있어서의 압력, 열, 진동의 영향을 완화하고, 패드막의 기능이 유지되도록 함으로써, 소형이고 또한 신뢰성이 높은 대전류 용도용의 전기 화학 셀을 제공한다.
[해결 수단] 베이스 용기(2) 중에 수납되는 셀(6)과, 셀(6)의 연장부인 복수의 셀 리드(8)와, 베이스 바닥면(2c)에 형성된 밸브 금속으로 이루어지는 패드막(5)과, 패드막(5)과 접속되고, 또한 베이스 바닥면(2c)부터 베이스 하면(2d)에 걸쳐 형성된 베이스 내 배선(비아 배선(3))을 적어도 가지는 전기 화학 셀(1)로서, 적어도 하나의 셀 리드(8)와 패드막(5)은 초음파 용접에 의해 고정되어 있고, 패드막(5)에 있어서의 용접 부분(5a)과 베이스 내 배선(3)의 수평 거리를 L로 하고, 베이스 내 배선(3)의 설치 위치에 관한 공차를 a로 하면, L≥a×1.3이 되는 관계식을 만족한다.

Description

전기 화학 셀{ELECTROCHEMICAL CELL}
본 발명은 표면 실장 가능한 전기 화학 셀에 관한 것이다.
전기 화학 셀은, 종래부터, 반도체 메모리의 백업 전원이나 마이크로 컴퓨터나 IC 메모리 등의 전자 장치의 예비 전원 등으로서 사용되어 왔다. 이들 전기 화학 셀은 소형화가 요구되는데, 방전 전류는 수 μA 내지 고작 수 mA의 범위밖에 되지 않았다. 한편, 근년, 전자 기기에 구비된 LED 등의 광원을 점멸시키거나, 소형의 모터를 간헐 구동시키는 등의 새로운 용도가 출현하고 있으며, 방전 전류의 증대가 요구되고 있다. 이것에 대응할 수 있도록, 특허 문헌 1에 개시하는 바와 같이, 외장 용기가 소형이고, 또한, 수백 mA 내지 수 A의 전원의 방전이 가능한 전기 화학 셀이 제안되어 있다.
일본국 특허 공개 2013-30750호 공보
특허 문헌 1에 기재된 전기 화학 셀은, 베이스 용기의 바닥면에 밸브 금속으로 이루어지는 패드막이 형성되어 있고, 이 패드막과, 셀(소자)로부터 연장되는 셀 리드가, 초음파 용접이나 레이저 용접 등에 의해 용접되어 있다. 또, 패드막의 하면에는 베이스 내 배선(비아 배선)이 설치되어 있다. 여기서, 패드막과 셀 리드의 용접시, 패드막의 용접 부분 근방에는 압력, 열, 진동이 초래된다. 특히 용접 부분과 비아 배선의 위치가 겹치는 경우나 근접하는 경우에는, 패드막과 외장 용기나 비아 사이의 밀착성의 저하나, 패드막 자체에 균열이나 찢어짐이 발생한다. 그로 인해, 패드막이 비아 배선의 보호막으로서의 기능을 잃어버림으로써, 비아 배선의 상단면이 패키지 내에 노출되어 전해질에 접촉하고, 비아 배선이 전해질에 용출해 버린다. 이에 의해, 전기 화학 셀은 전기적 접속을 잃어 버리게 된다.
그래서, 본 발명은, 베이스 용기의 바닥면에 설치된 패드막과 셀 리드의 용접시에 있어서의 압력, 열, 진동의 영향을 완화하여, 패드막의 기능이 유지되도록 함으로써, 소형이고 또한 신뢰성이 높은 대전류 용도용의 전기 화학 셀을 제공하는 것을 목적으로 한다.
(청구항 1)
청구항 1에 기재된 발명은, 베이스 용기(2)와 상기 베이스 용기(2) 중에 수납되는 셀(6)과, 상기 셀(6)의 연장부인 복수의 셀 리드(8)와, 상기 베이스 용기(2)의 바닥면(베이스 바닥면(2c))에 형성된 밸브 금속으로 이루어지는 패드막(5)과, 상기 패드막(5)과 접속되고, 또한 상기 베이스 용기(2)의 바닥면(2c)부터 하면(베이스 하면(2d))에 걸쳐 형성된 베이스 내 배선(비아 배선(3))을 적어도 가지는 전기 화학 셀(1)로서, 적어도 상기 하나의 셀 리드(8)와 상기 패드막(5)은 초음파 용접에 의해 고정되어 있고, 상기 패드막(5)에 있어서의 용접 부분(5a)과 상기 베이스 내 배선(3)의 수평 거리를 L로 하고, 상기 베이스 내 배선(3)의 설치 위치에 관한 공차를 a로 하면, L≥a×1.3인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 패드막(5)은 셀 리드(8)를 고정하기 위한 것이고, 또, 베이스 내 배선(비아 배선(3))을 베이스 바닥면(2c)에 노출시키지 않도록 보호하는 것이다.
본 발명에 의하면, 베이스 내 배선(3)의 설치 위치에 관한 공차(a)를 고려했을 때에, 패드막(5)에 있어서의 용접 부분(5a)과 베이스 내 배선(3)의 수평 거리(L)에 대해서는, L≥a×1.3의 관계가 성립하도록, 베이스 바닥면(2c)에, 패드막(5) 및 베이스 내 배선(3)을 배치한다. 이와 같이 형성함으로써, 패드막(5)에 셀 리드(8)를 용접할 때의 압력, 열, 진동의 영향을 피할 수 있다. 이에 의해, 패드막(5)의 베이스 바닥면(2c)이나 베이스 내 배선(3)에 대한 밀착성의 저하나, 패드막(5) 자체에 균열이나 찢어짐이 발생하지 않기 때문에, 패드막(5)과 베이스 내 배선(3)의 전기적인 접속을 확보함과 더불어, 베이스 내 배선(3)을 전해질(7)로부터 확실히 보호할 수 있다.
(청구항 2)
청구항 2에 기재된 발명은, 베이스 용기(2)와 상기 베이스 용기(2) 중에 수납되는 셀(6)과, 상기 셀(6)의 연장부인 복수의 셀 리드(8)와, 상기 베이스 용기(2)의 바닥면(베이스 바닥면(2c))에 형성된 밸브 금속으로 이루어지는 패드막(5)과, 상기 패드막(5)과 접속되고, 또한 상기 베이스 용기(2)의 바닥면(2c)부터 하면(베이스 하면(2d))에 걸쳐 형성된 베이스 내 배선(비아 배선(3))을 적어도 가지는 전기 화학 셀(1)로서, 적어도 상기 하나의 셀 리드(8)와 상기 패드막(5)은 초음파 용접에 의해 고정되어 있고, 상기 패드막(5)에 있어서의 용접 부분(5a)과 상기 베이스 내 배선(3)의 수평 거리를 L로 하고, 상기 베이스 내 배선(3)의 설치 위치에 관한 공차를 a로 하며, 상기 패드막(5)에 있어서의 용접 부분(5a)의 위치의 공차를 b로 하면, L≥(a＋b)×1.026인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 패드막(5)은 셀 리드(8)를 고정하기 위한 것이고, 또, 베이스 내 배선(비아 배선(3))을 베이스 바닥면(2c)에 노출시키지 않도록 보호하는 것이다.
본 발명에 의하면, 베이스 내 배선(3)의 설치 위치에 관한 공차(a) 및 패드막(5)에 있어서의 용접 부분(5a)의 위치의 공차(b)를 고려했을 때에, 패드막(5)에 있어서의 용접 부분(5a)과 베이스 내 배선(3)의 수평 거리(L)에 대해서는, L≥(a＋b)×1.026의 관계가 성립하도록, 베이스 바닥면(2c)에, 패드막(5) 및 베이스 내 배선(3)을 배치한다. 이와 같이 형성함으로써, 패드막(5)에 셀 리드(8)를 용접할 때의 압력, 열, 진동의 영향을 피할 수 있다. 이에 의해, 패드막(5)의 베이스 바닥면(2c)이나 베이스 내 배선(3)에 대한 밀착성의 저하나, 패드막(5) 자체에 균열이나 찢어짐이 발생하지 않기 때문에, 패드막(5)과 베이스 내 배선(3)의 전기적인 접속을 확보함과 더불어, 베이스 내 배선(3)을 전해질(7)로부터 확실히 보호할 수 있다.
본 발명에 의하면, 패드막과 셀 리드의 용접시에 있어서의 압력, 열, 진동의 영향을 완화하여, 패드막의 기능이 유지되도록 함으로써, 소형이고 또한 신뢰성이 높은 대전류 용도용의 전기 화학 셀을 제공할 수 있다.
도 1은 본 실시 형태의 전기 화학 셀을 설명하는 도이다.
도 2는 본 실시 형태의 전기 화학 셀의 패드막, 비아 배선, 및 접속 단자의 관계를 도시하는 도이다.
도 3은 본 실시 형태의 전기 화학 셀의 셀 리드와 패드막의 용접을 설명하는 도이다.
도 4는 본 실시 형태의 전기 화학 셀의 비아 배선과 용접 범위의 공차를 설명하는 도이다.
도 5는 본 실시 형태의 전기 화학 셀의 제조 흐름을 도시하는 도이다.
도 6은 본 실시 형태의 전기 화학 셀의 변형예 1을 도시하는 도이다.
도 7은 본 실시 형태의 전기 화학 셀의 변형예 2를 도시하는 도이다.
도 8은 본 실시 형태의 전기 화학 셀의 변형예 3을 도시하는 도이다.
도 9는 본 실시 형태의 전기 화학 셀의 변형예 4를 도시하는 도이다.
도 10은 본 실시 형태의 전기 화학 셀의 변형예 5를 도시하는 도이다.
도 11은 본 실시 형태의 전기 화학 셀의 각 부의 치수를 설명하는 도이다.
본 실시 형태의 전기 화학 셀(1)을 도면에 의거하여 설명한다. 본 실시 형태의 전기 화학 셀(1)은, 주로 퍼스널 컴퓨터나 소형의 휴대 기기 내부의 기판에 실장되어 이용된다.
(전기 화학 셀(1))
도 1(a)는, 본 실시 형태의 전기 화학 셀(1)의 외관도이다. 일 예로서 직방체의 형상으로 도시되어 있는데, 트랙 형상이나 원통 형상이어도 된다. 본 실시 형태의 전기 화학 셀(1)은, 그 발전 요소인 셀(6)을 수납하여 용기로서 기능하는 베이스 용기(2)와, 그 개구부를 기밀로 막기 위한 실링판으로서 기능하는 리드(10)를 외장 부품으로서 구비하고 있다. 본 실시 형태의 전기 화학 셀(1)의 외장 용기는, 이 베이스 용기(2)와 베이스 용기(2)의 개구부를 실링하는 리드(10)로 구성되어 있다.
도 1(b)는, (a)의 AA단면을 도시하는 도이다. 오목 형상의 베이스 용기(2) 중에 셀(6)이 수납되고, 또한 전해질(7)이 충전되며, 오목 형상의 베이스 용기(2)의 상면에 일주하여 설치된 씰 링(9)에 꽉 눌러진 리드(10)에 의해 기밀로 실링되어 있다. 오목 형상의 베이스 용기(2)의 베이스 바닥면(2c)에는, 한 쌍의 집전체 금속막인 패드막(5)이 병렬로 배치되어 있다. 또, 패드막(5)의 바닥면이며, 베이스 바닥면(2c)부터 베이스 하면(2d)에 걸쳐 복수의 비아 배선(3)이 형성되어 있다. 이 비아 배선(3)은, 패드막(5)과 베이스 하면(2d)에 형성된 접속 단자(4)를 전기적으로 접속하고 있다.
한편, 외장 용기 내에는 셀(6)이 수용되어 있다. 이 셀(6)은, 활물질과 활물질을 담지하는 금속으로 이루어지는 집전체로 이루어지는 1세트의 전극 시트가 절연성의 세퍼레이터를 사이에 끼워 권회(卷回)법이나 적층법 등으로 구성된 것이다. 양극 및 음극의 집전체의 단부에는, 셀 리드(8)가 형성되어 있다. 양극, 음극의 각각의 셀 리드(8)는, 한 쌍의 패드막(5) 각각에 대해, 용접에 의해 고정되어 있다. 셀(6)의 양극, 음극은 접속 단자(4)에 의해, 실장되는 기판의 실장용 패턴에 전기적으로 접속되게 된다.
(베이스 용기(2))
베이스 용기(2)는 상방을 개방한 상자 형상의 세라믹으로 이루어지는 용기이며, 장방형 형상의 베이스 바닥부(2a)와, 베이스 바닥부(2a)의 외연에 세워 설치한 장방형 틀 형상의 베이스 벽부(2b)를 가지고 있다. 이 베이스 용기(2)의 크기는, 한 변이 5~20mm 정도, 높이는 1~3mm 정도로 할 수 있다. 도 2(a), (b)는, 각각 베이스 용기(2)의 베이스 바닥면(2c)과 베이스 하면(2d)을 도시하는 도이다. 도 2(a)에 도시하는 베이스 바닥면(2c)에는, 도전성 재료로 이루어지는 한 쌍의 패드막(5)이 배치되어 있다. 패드막(5)의 하면에는, 파선으로 나타내는 비아 배선(3)이 각각 4개 설치되고, 베이스 하면(2d)에 배치된 접속 단자(4)(마찬가지로 파선으로 나타낸다)에 수직으로 접속되어 있다.
또한, 베이스 용기(2)의 재료로서는, 알루미나, 질화규소, 지르코니아, 탄화규소, 질화알루미늄, 멀라이트 및 이들 복합 재료로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종류를 포함하는 세라믹을 들 수 있는데, 이에 한정되지 않는다. 소다라임 유리나 내열 유리 등도 사용 가능하다. 유리는 소재로서 길이가 긴 것을 이용할 수 있으므로, 소형의 패키지의 경우는, 1매의 유리에 많은 취득 개수를 설정할 수 있어, 베이스 부재의 저비용화를 기대할 수 있다.
본 실시 형태의 베이스 용기(2)는, 장방형 형상으로 뚫린 바닥부(2a)에 대응하는 세라믹 그린 시트에, 장방형 틀 형상으로 뚫린 벽부(2b)에 대응하는 세라믹 그린 시트를 붙인 후, 소성함으로써 형성된다. 또한, 바닥부(2a)에 대응하는 세라믹 그린 시트에 펀칭에 의해 미리 구멍을 뚫음으로써 관통 구멍을 형성할 수 있다.
(비아 배선(3))
비아 배선(3)은, 베이스 용기(2)의 베이스 바닥면(2c)부터 베이스 하면(2d)에 걸쳐 형성된 배선이다. 이 비아 배선(3)은, 우선, 베이스 바닥부(2a)에, 베이스 바닥면(2c)과 베이스 하면(2d)을 대략 수직으로 관통하여 접속하는 관통 구멍이 설치되고, 그리고 관통 구멍에는 텅스텐의 페이스트를 충전함으로써 형성된다. 또, 비아 배선(3)에 의해, 관통 구멍이 기밀로 채워져 있다.
또한, 비아 배선(3)에 사용하는 페이스트로서는, 탄소와 수지를 혼합한 페이스트나, 텅스텐, 몰리브덴, 니켈, 금, 또는 이들 복합 재료와 수지를 혼합한 페이스트를 이용할 수 있다.
관통 구멍에 충전된 페이스트는, 베이스 용기(2)가 되는 세라믹 그린 시트와 더불어 소성함으로써 비아 배선(3)이 된다.
또한, 상기 서술한 대로, 베이스 용기(2)를 소다라임 유리나 내열 유리 등의 유리 소재로 형성하는 경우, 이들 유리에 오목부나 관통 구멍을 형성하는 수단으로서는, 화학적인 에칭법, 샌드 블라스트와 같은 물리적 방법, 혹은 고온 분위기에 있어서 틀을 이용하여 오목부와 관통 구멍을 동시에 형성할 수 있다. 그리고, 관통 구멍의 내면에 알루미늄막을 형성한 후, 열팽창 계수를 매칭시킨 유리 페이스트를 관통 구멍에 충전하고, 탈바인더 및 소성을 실시함으로써, 기밀이고 도전성을 가지는 비아 배선(3)을 형성할 수 있다. 이러한 경우는, 비아 배선(3)이 전해질(7)에 의해 용해된다고 하는 우려는 없다. 또, 비아 배선(3)의 내면을 형성하는 막은 알루미늄에 한정되는 일 없이, 티탄 등의 그 외의 밸브 금속을 포함하는 막이면 된다.
(접속 단자(4))
도 2(b)에 도시하는 베이스 하면(2d)에는, 패드막(5)에 대향하도록 한 쌍의 접속 단자(4)가 설치되어 있다. 접속 단자(4)는, 리플로우 처리 등에 의해, 실장 기판의 패턴에 설치된 크림 땜납 등으로 기판에 고착된다.
본 실시 형태에서는, 베이스 용기(2)가 되는 세라믹 그린 시트에 미리 텅스텐에 의한 전극의 패턴을 인쇄하고, 상기 세라믹 그린 시트를 소성함으로써, 접속 단자(4)를 형성할 수 있다. 또, 접속 단자(4)는, 인쇄법에 의해 형성한 텅스텐의 패턴에, 니켈과 금으로 이루어지는 도금막이 형성되어 있다. 또한, 베이스 측면(2e)의 오목부에도 텅스텐이나 이들 도금 재료가 패터닝되어 접속 단자의 일부로서 기능한다.
(패드막(5))
패드막(5)은, 베이스 바닥면(2c)의 2개소에 배치되는 도전성 재료로 이루어지는 대략 직사각형 형상의 막이다. 이 패드막(5)은, 비아 배선(3)의 상단부와 전해질(7)의 직접적인 접촉을 방지함과 더불어, 셀 리드(8)를 용접에 의해 접속하기 위한 용접 부분(5a)을 가지고 있다. 또한, 본 실시 형태의 패드막(5)은, 베이스 용기(2)의 길이 방향으로 병렬 배치되어 있는데, 단변 방향으로 병렬 배치하는 것이나, 길이 방향의 대각선 방향으로 늘어놓는 것도 가능하다.
패드막(5)은, 알루미늄이나 티탄 등의 화학적으로 안정된 밸브 금속으로 이루어지는 막이며, 전해질(7)에 용해되기 어려운 재료로 이루어진다. 이들 막은, 예를 들어, 증착, 이온 플레이팅이나 스패터링 등의 주지의 막 형성 방법에 의해 형성할 수 있다. 이러한 방법에 의한 경우는, 우선, 텅스텐 등의 금속이 관통 구멍에 인쇄법 등에 의해 충전·소성되어 기밀인 비아 배선(3)이 완성된 후에 형성한다. 진공 중에서 성막하는 경우는, 예를 들어, 양음의 패드막(5)을 각각 구성하도록, 서로 공간적으로 분리한 2개의 개구를 가지도록 패터닝한 금속제 등의 마스크를 준비하고, 성막의 챔버 중에 수납하며, 진공 배기계로 소정의 진공도로 배기한 후, 밸브 금속 재료와 증발시키거나, 밸브 금속 재료로 이루어지는 타겟을 물리적으로 이온으로 두드려 재료를 날려, 베이스 바닥면(2c)에 성막한다. 이러한 성막법에서는, 성막의 조건을 제어하기 쉬우므로, 형성된 막의 저항율이 낮고, 또한 액체가 침투하기 어려운 고밀도인 막을 형성할 수 있다.
또, 알루미늄의 막은 스크린 인쇄법에 의해서도 형성 가능하다. 고온에서는 산화하기 쉬운 알루미늄에 있어서도, 150℃ 이하의 온도에서 배선 패턴이 형성 가능한 기술이 개발되어 있다. 인쇄법이므로, 증착법 등의 박막 형성 기술에 비해 두꺼우며, 수십 미크론의 막두께도 용이하다.
또한, 알루미늄막은 전기 도금법에 의해 제작하는 것도 가능하다. 디메틸술폰과 염화알루미늄으로 이루어지는 도금액을 이용하여, 약 40㎛의 막두께로 형성된 막이, 표면이 평활하고, 막의 내부도 균일한 막으로 알려져 있다.
계속해서, 패드막(5)의 두께에 대해 말한다. 막두께는 5㎛ 이상이고 또한 100㎛ 이하가 바람직하다. 바람직하게는, 10㎛ 이상이고 30㎛의 범위가 좋다. 막두께가 얇으면 막 내부에 존재하는 미세한 포라스가 연결되어 전해질(7)이 패드막 아래에 있는 텅스텐에 침투해 텅스텐의 전해 부식을 일으키기 쉬운 것, 및, 후술하는 바와 같이, 용접으로 셀 리드(8)와 접속될 때, 용접의 조건이 매우 한정되어 신뢰성 있는 접합의 실현이 어려워지는 것에 의한다.
여기서, 두께 약 1.3mm의 소다라임 유리판에, 패드막(5)의 두께가 5㎛인 알루미늄막을 이온 플레이팅법에 의해 형성한 후, 두께가 80㎛인 알루미늄의 박판을 초음파 용접으로 용접시키는 실험을 실시했다. 셀 리드 5개 중 1개의 샘플은 유리판에 미소한 균열의 발생이 인정되었다. 따라서, 5㎛는 막두께로서는 실용상의 하한값이다. 실용적으로는, 막두께는 10㎛ 이상 있는 것이 바람직하다.
한편, 증착법이나 이온 플레이팅법에 의한 알루미늄의 증착 레이트는, 1시간당 3㎛~10㎛이다. 증착 시간을 고려하면 30㎛ 이하의 두께가 바람직하고, 이 경우의 성막 시간은 길어도 4~5시간 정도이다. 100㎛ 정도까지 두껍게 형성한 경우는, 성막 시간은 장시간에 이르지만, 용접으로 셀 리드(8)에 접속할 때의 용접 조건을 넓게 잡을 수 있어, 밑바탕이 되는 세라믹에 균열이 유발될 가능성을 매우 낮게 할 수 있다.
(셀(6))
계속해서, 셀(6)에 관하여 설명한다. 셀(6)은, 두께가 5㎛~50㎛인 알루미늄박이나 구리박을 집전체로 하고, 그 표면에 활물질을 도공이나 접착법에 의해 담지한 양음의 한 쌍의 전극 시트를, 절연물로 이루어지는 세퍼레이터를 사이에 끼워 권회, 적층, 접어넣음 등의 수법으로 일체화한 발전 요소이다.
전기 이중층 캐패시터의 경우는, 활물질의 대표적인 재료로서, 활성탄 내지 탄소를 들 수 있다. 리튬 이온 이차 전지에서는, 양극 활물질로서는, 예를 들어, 코발트산리튬(LiCoO2), 니켈산리튬(LiNiO2), 망간산리튬(LiMn2O4), 인산철리튬(LiFePO4) 등의 화합물이 이용되고, 음극 활물질로서는, 예를 들어 흑연이나 코크스 외 실리콘 산화물 등이 이용된다. 활물질 페이스트는, 상기의 활물질에, 도전 보조제, 바인더, 분산제 등을 혼합하여 적당한 점도로 조절한 것이며, 이것을 롤러 코팅, 스크린 코팅, 닥터 블레이드법 등의 방법에 의해, 집전체의 양면 또는 편면에 도공한다. 도공 후에, 건조, 프레스 공정을 거쳐 전극 시트가 형성된다.
세퍼레이터는, 양극 및 음극의 직접적인 접촉을 규제하는 것이며, 큰 이온 투과도를 가지고, 소정의 기계적 강도를 가지는 절연막이 이용된다. 예를 들어, 내열성이 요구되는 환경에 있어서는, 유리 섬유의 외, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에틸렌텔레프탈레이트, 폴리아미드, 폴리이미드 등의 수지를 이용할 수 있다. 또, 세퍼레이터의 구멍 경, 두께에 관해서는, 특별히 한정되는 것은 아니나, 사용 기기의 전류값이나, 전기 화학 셀(1)의 내부 저항에 의거하여 결정된다. 또, 세라믹스의 다공질체를 세퍼레이터로서 이용하는 것도 가능하다.
(전해질(7))
전해질(7)은, 공지의 전기 이중층 캐패시터나 비수 전해질 이차 전지에 이용되는 액체상, 겔상인 것이 바람직하다.
액체상 및 겔상의 전해질(7)에 이용되는 유기용매에는, 아세토니트릴, 디에틸에테르, 디에틸카보네이트, 디메틸카보네이트, 1,2-디메톡시에탄, 테트라히드로퓨란, 프로필렌카보네이트(PC), 에틸렌카보네이트(EC), γ-부티로락톤(γBL), 술포란, 프로피온산에스테르, 쇄상 술폰 등이 있고, 이들을 단일 또는 혼합하여 이용할 수 있다.
특히, 프로필렌카보네이트(PC), 에틸렌카보네이트(EC), γ-부티로락톤(γBL), 술포란 등의 고비점의 주 용매에 대해, 프로피온산에스테르나 쇄상 술폰을 부 용매로서 함유시킨 것이 적절하나, 이들에 한정되는 것은 아니다.
액체상 및 겔상의 전해질(7)에 포함되는 재료에는, (C2H5)4PBF4, (C3H7)4PBF4, (CH3)(C2H5)3NBF4, (C2H5)4NBF4, (C2H5)4PPF6, (C2H5)4PCF3SO4, (C2H5)4NPF6, 과염소산리튬(LiClO4), 육불화인산리튬(LiPF6), 붕불화리튬(LiBF4), 육불화비소리튬(LiAsF6), 트리플루오로메타술폰산리튬(LiCF3SO3), 비스트리플루오로메틸술포닐이미드리튬[LiN(CF3SO2)2], 티오시안염, 알루미늄불화염, 리튬염 등을 이용할 수 있다. 액체상의 전해질(7)의 지지염으로서는, 4급 암모늄염, 4급 포스포늄염 등을 들 수 있다. 이 4급 암모늄염으로서는, 지방쇄만을 가지는 화합물, 지방쇄와 지방환을 가지는 지환식 화합물, 혹은 지방환만을 가지는 스피로 화합물을 들 수 있다. 특히, 스피로 화합물인 5-아조니아스피로[4,4]노난테트라플루오로보레이트(스피로-(1,1＇)-비피롤리디늄：SBP-BF4)는 전기 전도율이 높기 때문에 사용에 적절하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또, 겔상의 전해질(7)은, 액체상의 전해질을 폴리머 겔에 함침시킨 것이다. 폴리머 겔로서는, 폴리에틸렌옥시드, 폴리메타크릴산메틸, 폴리불화비닐리덴이 적절하나, 이들에 한정되는 것은 아니다.
또한, 피리딘계나 지환식 아민계, 지방족 아민계나 이미다졸륨계의 이온성 액체나 아미진계 등의 상온 용융염을 이용해도 상관없다.
(셀 리드(8))
셀 리드(8)는, 셀(6)로부터 전력을 꺼내기 위한 단자이다. 이 셀 리드(8)는, 집전체 그 자체를 가늘게 연장시킨 연장부나, 다른 가늘고 얇은 판이나 와이어형상의 리드를 기계적으로 접속하여 연장부를 형성한 것이 이용된다. 본 실시 형태의 셀 리드(8)는, 집전체 그 자체를 연장시킨 것이며, 이 셀 리드(8)의 일부분인 용접 영역(8a)이 패드막(5)의 용접 부분(5a)에 용접에 의해 고정된다.
본 실시 형태의 셀 리드(8)는, 도 3(a)에 도시하는 바와 같이, 셀(6)을 베이스 용기(2) 밖에 둘 수 있을 정도의 길이로서, 패드막(5)과 용접할 때에 용접용 팁(20)의 이동의 방해가 되지 않을 정도의 길이로 하는 것이 바람직하다. 과도하게 길게 하면 내부 저항이 증가하기 때문이다.
또한, 셀(6)은, 셀 리드(8)와 패드막(5)을 용접한 후, 베이스 용기(2) 중에 수납되는데, 이때 셀 리드(8)는 베이스 용기(2) 내부로 접어 넣어진다. 또, 셀 리드(8)를 접어 넣을 때는, 셀(6)의 쇼트를 회피하기 위해, 셀 리드(8)가 씰 링(9)에 혼촉하지 않도록 주의할 필요가 있다.
(셀 리드(8)의 용접 방법)
다음에, 도 3을 이용하여 셀 리드(8)와 패드막(5)의 구체적인 용접 방법을 설명한다. 도 3(a)는, 셀(6)에 접속하는 한 쌍의 셀 리드(8)와 한 쌍의 패드막(5)을 도시하는 도이다. 한 쌍의 셀 리드(8)의 선단은, 도 3(a)에 도시하는 바와 같이, 패드막(5)의 표면에 놓여진 후, 셀 리드(8)의 상면으로부터 용접되어, 패드막(5)과 셀 리드(8)가 접합된다. 용접을 이용함으로써, 셀 리드(8)와 패드막(5)의 접합 계면에서, 각각의 부재를 구성하는 재료의 원자적인 확산이 일어나, 강고한 접합이 가능해진다. 도 3(a)의 용접 영역(8a)은, 용접한 부분을 모식적으로 도시하고 있다. 용접이므로, 접합 계면에 자연 산화막 등의 오염이 존재하더라도, 접속 저항이 mΩ대, 혹은 mΩ 이하의 충분히 낮은 접합이 가능해진다. 이에 의해, 도전성 접착제 등에 의한 접합 방법에 비해, 접속 저항을 10분의 1 내지 100분의 1로 저감시킬 수 있다. 또, 접속 저항값의 편차를 억제하고, 또한 경시 변화가 적은 접합이 가능해진다.
또, 용접 부분(5a) 및 용접 영역(8a)의 면적을 크게 함으로써, 접속 저항값을 한층 저감할 수 있음과 더불어, 셀 리드(8)와 패드막(5) 사이의 인장 강도를 향상시킬 수 있다. 그로 인해, 셀 리드(8)를 변형시켜 용기의 내부에 셀(6)을 수납시키는 제조 공정에 있어서, 용접의 벗겨짐 등의 불량의 발생을 억제할 수 있는 것 외에, 완성한 전기 화학 셀(1)의 내진동 특성이나 낙하 충격 특성 등의 기계적인 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
셀 리드(8)와 패드막(5)의 용접으로서, 예를 들어, 초음파 용접, 빔 용접, 저항 용접 등의 국소적인 용접 방법을 들 수 있다. 즉, 이러한 용접 수단은, 용접의 대상이 되는 부분이 국소적이므로 열적인 영향은 용접 부분(5a) 근방에만 머물러, 셀(6) 자체에 대한 영향을 피할 수 있다. 또, 셀 리드(8)의 재료, 두께, 패드막(5)의 재료와 관통 구멍의 배치 등을 변경함으로써, 용접의 기계적 혹은 열적인 충격에 의한 구성 부재에 대한 영향을 저감할 수 있다. 상기 구성으로 함으로써, 세라믹스 등의 재료로 이루어지는 베이스 용기(2)에 대해서도 균열의 발생에 의한 부재에 대한 손상을 회피하는 것이 가능하다.
본 실시 형태에서는, 상술의 용접 방법 중, 초음파 용접을 채용하고 있다. 도 3(b)는, 초음파 용접의 구체적인 방법을 설명하기 위한 도이다. 초음파 용접에서는, 우선, 패드막(5) 위에 셀 리드(8)를 위치 결정하여 밀착시키는데, 이때, 셀(6)은 초음파 용접용 팁(20)의 이동의 방해가 되지 않도록, 베이스 용기(2) 밖에 놓여진다. 다음에, 초음파 용접용 팁(20)을, 이동 기구에 의해 셀 리드(8)의 상면에 적당한 가압력을 가지고 맞닿게 한다. 초음파 용접용 팁(20)은 혼 선단에 일체적으로 형성되거나, 혹은 혼의 선단에 별도 장착된다. 초음파 용접용 팁(20)의 팁 선단(20a)은, 셀 리드(8)와 접촉하는 부분으로서, 여기에는, 셀 리드(8)의 표면에 적절히 파고들도록 표면에 요철 패턴이 형성되어 있는 것(널(knurl) 가공)이 바람직하다.
초음파 용접용 팁(20)이 셀 리드(8)와 적당한 가압력으로 맞닿은 후에, 초음파 용접기의 발진 기구가 수십 kHz로 이루어지는 초음파를 혼에 가하면, 초음파 용접용 팁(20)이 주파수로 접합 부분을 문지른다. 이에 의해, 셀 리드(8)의 용접 영역(8a)과 패드막(5)의 용접 부분(5a)의 계면은, 금속 재료의 청정한 표면들의 밀착면이 되어, 수십 밀리초 내지 수백 밀리초의 얼마 안되는 시간으로 압접할 수 있다. 앞선 도 3(a)의 용접 영역(8a)으로 도시된 셀 리드(8)의 표면의 요철 패턴은, 이 초음파 용접에 의해 초음파 용접용 팁(20)의 요철 패턴이 전사되어 있는 것을 모식적으로 도시한 것이다. 이 요철 패턴으로 도시된 영역이 용접 영역(8a)이 되는데, 미시적으로 보면, 접합되어 있는 부분은, 초음파 용접용 팁(20)의 선단에 가공된 돌기에 의해 움푹 패인 부분뿐이며, 그 이외의 영역은, 셀 리드와 패드막 사이에 얼마 안되는 간극을 유지한 상태이다.
또한, 초음파 용접용 팁(20)이 셀 리드(8)의 표면에 맞닿을 때에, 큰 충격이 되지 않도록 주의하는 것이 바람직하고, 이동 기구에는, 덤퍼 등의 충격 흡수 기구를 구비하는 것이 좋다. 이에 의해, 베이스 재료에 대한 손상을 저감할 수 있다.
또한, 초음파 용접에 있어서는, 진동뿐만이 아니라, 열에너지와 기계적인 압접력을 병용하는 것도 가능하다. 또, 도 3(a)에서는, 셀 리드(8)로서 가는 판 형상의 예가 도시되어 있는데, 와이어여도 되고, 초음파 용접용 팁(20)의 형상을 적절히 변형시켜 이용하면 된다.
또, 1개의 패드막에 1개의 셀 리드(8)를 용접하고 있었는데 셀 리드(8)의 수는, 복수여도 된다. 활물질을 담지하는 집전체의 길이가 긴 경우는, 집전체에 복수의 셀 리드를 설치할 수 있다. 이 경우에는, 이들 복수의 셀 리드(8)를 1개의 패드막에 접속할 수 있으면 저항분을 저감할 수 있어, 바람직하다.
(용접 조건)
셀 리드(8)의 치수(리드의 폭과 두께)와 패드막(5)의 치수(종횡의 치수와 두께) 및 초음파 용접용 팁(20)의 치수를 적절히 선택함으로써, 전기 화학 셀(1)의 여러 가지의 치수에 대응하는 것이 가능하다. 도 3(a)에 도시한 용접 영역(8a)의 폭은, 0.5mm여도 충분하고, 소형의 전기 화학 셀(1)의 제작에 안성맞춤이다. 또한, 기계적인 강도를 올리기 위해, 패드막(5)의 표면적을 가능한 한 넓게 덮도록 설계된 초음파 용접용 팁(20)을 이용하여 초음파 용접한 경우도 적절한 용접 조건을 설정함으로써, 비아 배선(3), 패드막(5), 및 베이스 용기(2)에 영향은 없으며, 충분히 큰 기계적 강도를 얻을 수 있다.
용접에 의해 패드막(5)에 압력, 열, 진동이 더해지면, 패드막(5)의 베이스 바닥부(2c)나 비아 배선(3)에 대한 밀착성의 저하나, 패드막(5) 자체에 균열이나 찢어짐이 발생한다. 특히, 비아 배선(3) 부근의 패드막(5)에 압력, 열, 진동이 더해져 밀착성이 없어지면, 패드막(5)과 비아 배선(3)의 전기적인 접속이 없어짐과 더불어, 비아 배선(3)의 상단면이 전해질(7)과 접촉하여, 비아 배선이 전해질(7) 중에 용출하게 된다. 그래서, 비아 배선(3)에 영향을 미치지 않는 용접 부분(5a)을 이하의 용접 조건으로 정한다.
여기서, 도 4에 도시하는 바와 같이, 보호해야 할 비아 배선(3)에 대한 설치 위치에 관한 공차를 a로 하고, 용접 위치로서의 용접 부분(5a)의 위치의 공차를 b로 하며, 용접 부분(5a)과 비아 배선(3)의 수평 거리를 L로 하여 용접 조건을 정했다. 그리고, 비아 배선(3)의 설치 위치에 관한 공차(a)만을 고려하는 경우, 공차(a)와 수평 거리(L)의 관계에서는, L≥a×1.3(식 1)을 만족하도록 형성되어 있다.
또, 비아 배선(3)에 대한 설치 위치에 관한 공차(a) 및 패드막(5)에 있어서의 용접 부분(5a)의 위치의 공차(b)를 고려하면, L≥(a＋b)×1.026(식 2)를 만족하도록 형성되어 있다.
이와 같이 형성되어 있는 전기 화학 셀(1)은, 비아 배선(3)의 위치가 설계 위치에 대해, 공차(a)만큼 용접 부분(5a)측에 치우쳐 있어도, 혹은, 용접 부분(5a)의 위치가 설계 위치에 대해, 공차(b)만큼 비아 배선(3)측에 치우쳐 있어도, 용접시의 압력, 열, 진동의 영향을 피할 수 있다. 이에 의해, 패드막(5)의 베이스 바닥면(2c)이나 비아 배선(3)에 대한 밀착성의 저하나, 패드막(5) 자체에 균열이나 찢어짐이 발생하지 않기 때문에, 패드막(5)과 비아 배선(3)의 전기적인 접속을 확보함과 더불어, 비아 배선(3)을 전해질(7)로부터 확실히 보호할 수 있다.
(씰 링(9))
씰 링(9)은, 도 1에 도시하는 바와 같이, 베이스 용기(2)의 베이스 벽부(2b)의 상단면의 형상에 맞춘 사각틀 형상의 단면을 가지고 있고, 베이스 벽부(2b)의 상단면에 납재를 통해 접합되어 있다. 이 씰 링(9)은, 열팽창 계수가 세라믹의 열팽창 계수와 가까운 재료, 예를 들어, 철·코발트·니켈 합금인 코바르 등을 이용할 수 있다. 또, 납재는, Ag-Cu 합금이나 Au-Cu 합금 등으로 형성되어 있다.
(리드(10))
리드(10)는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 씰 링(9)의 상면에 접합되어 있으며, 베이스 용기(2)를 밀봉하고 있다. 리드(10)에는, 열팽창 계수가 세라믹의 열팽창 계수와 가까운 코바르나 42alloy 등의 합금에 니켈 도금을 실시한 것이 사용된다. 구체적으로는, 코바르의 0.1mm 내지 0.2mm 정도의 두께를 가지는 박판이고, 표면에는 2㎛ 내지 4㎛ 정도의 두께로 전해 니켈 도금이나 무전해 니켈 도금이 실시된 것이 이용된다. 이러한 재료를 이용한 리드(10)는, 예를 들어, 저항 심 용접, 레이저 심 용접 등에 의해 씰 링(9)에 용접시킬 수 있고, 막힌 상태의 베이스 용기(2) 내부의 기밀성을 향상시킨다.
리드(10)와 씰 링(9)을 용접하는 방법으로서 이용되는 저항 심 용접에서는, 리드(10)를 씰 링(9)에 맞닿게 한 후에, 리드(10)의 장변측의 대략 중심의 2점에, 대향한 사다리꼴 형상의 롤러 전극을 배치하고 저전압 대전류를 단시간 흐르게 하여, 리드(10)의 가용접(스팟 용접)이 행해진다. 이와 같이 하여, 리드(10)는 임시로 고정되고, 용접 작업 중의 진동 등으로 위치가 어긋나는 일은 없다.
계속해서, 예를 들어, 장변의 단으로부터 롤러 전극으로 장변이 덧써지도록 베이스 용기(2)와 리드(10)가 이동하여 용접된다. 다음에, 베이스 용기(2)와 리드(10)는 90도 회전되고, 마찬가지로 단변이 용접된다. 이와 같이 하여, 리드(10)의 일주에 걸쳐 용접이 행해진다. 상기 서술한 가고정에 있어서도, 본 저항 심 용접에 있어서도, 리드(10)와 씰 링(9)의 계면에서, 금과 니켈의 확산이 발생하여, 기밀이고 강고한 확산 접합층이 형성된다. 이에 의해, 리드(10)는, 베이스 용기(2)에 기밀로 실링된다.
리드(10)와 씰 링(9)의 용접은, 레이저의 주사 조사를 이용해도 가능하다. 가용접을 상술과 마찬가지로 실시한 후, 레이저를, 리드(10)를 일주하도록 주사 조사한다. 이에 의해, 리드(10)와 씰 링(9)의 계면에서 확산 접합층이 형성된다. 이 경우, 리드(10)의 접합측의 면에 은과 구리로 이루어지는 납재의 시트를 붙임으로써, 용융 온도를 납재의 온도까지 저하시키는 것도 가능하다.
또한, 전해질(7)이 상온에서 액체상의 용매나 지지염으로 이루어지고, 리드(10)를 실링하기 전에 전해질(7)을 충전하는 공정을 채용하는 경우는, 액체가 리드(10)와 씰 링(9)의 계면에 존재하는 장소가 있을 수 있다. 이러한 경우에서도, 심 용접을 이용한 접합은 가능하다. 심 용접은, 롤러 전극을 사용하는 것이어도, 레이저의 주사 조사를 이용하는 것이어도 상관없다. 상기 계면에 액체가 존재하더라도 기밀인 용접이 가능해지는 것은, 계면에 존재하는 액체는, 용접시에 근방의 온도가 급격하게 상승하므로 증발하여 비산하는 것에 의한 것이라고 생각된다.
또한, 씰 링(9)을 사용하지 않고, 베이스 용기(2)의 상단면과 리드(10)를 납재를 통해 접합시켜도 된다.
(제조 방법)
다음에, 도 5에 도시하는 전기 이중층 캐패시터의 제조 흐름을 참조하면서, 본 실시 형태의 제조 방법에 대해 설명한다. 우선, 외장 용기로서, 도 1(a) 및 (b)에 도시하는 오목 형상을 이루는 베이스 용기(2)와, 리드(10)를 준비했다. 베이스 용기(2)는, 장변이 10mm, 단변이 8mm, 높이가 1.8mm이며, 베이스 용기(2)의 바닥변의 두께는 0.38mm이다. 재료로서는, 세라믹스로 전자 부품의 패키지를 제조할 때의 표준적인 재료를 이용했다. 이 베이스 용기(2)는, 장방형 형상으로 뚫린 바닥부(2b)에 대응하는 세라믹 그린 시트에, 장방형 틀 형상으로 뚫린 벽부(2c)에 대응하는 세라믹 그린 시트를 붙인 후, 약 1500℃로 소성함으로써 형성된다. 비아 배선(3)은 외경을 0.2mm로 하고, 베이스 바닥면(2c)과 베이스 하면(2d)을 직접 관통하도록, 양극측과 음극측에 각각 4개씩 설치했다. 또, 비아 배선(3)의 표면에 니켈과 금의 도금을 실시했다. 베이스 하면(2d)에는, 한 쌍의 접속 단자(4)가 배치되고, 비아 배선(3)에 접속되어 있다. 접속 단자(4)에는 니켈을 밑바탕으로 한 금 도금이 실시되어 있다(S10).
다음에, 베이스 바닥면(2c)에, 알루미늄의 증착막으로 이루어지는 한 쌍의 패드막(5)을 형성했다. 패드막(5)의 치수는, 단변 2.4mm, 장변 3mm이고 두께는 약 15㎛ 이상이다(S11).
한편, 리드(10)는, 장변이 9mm, 단변이 7mm, 두께 0.125mm의 코바르판을 준비하고, 표면에 전해 니켈 도금을 실시했다(S20).
계속해서 셀(6)의 준비를 한다. 20㎛의 두께를 가지는 알루미늄으로 이루어지는 집전체에 활성탄, 도전 보조제, 바인더 및 증점제로 이루어지는 활물질을 도공법에 의해 코팅하여 시트 전극으로 했다(S30). 적당한 길이로 절단한 후, 집전체의 일단에, 두께가 80㎛이고 폭이 1.5mm, 길이 4mm의 알루미늄의 박판을 초음파 용접으로 장착하여 셀 리드(8)로 했다(S31). 셀 리드(8)가 용접된 양음 한 쌍의 시트상의 전극에, 폴리테트라플루오로에틸렌으로 이루어지는 세퍼레이터를 협지시킨 후, 권심을 넣고, 트랙 형상으로 권회했다. 그 후, 권심을 꺼내, 간극을 가볍게 부수어 권회 전극으로 했다(S32).
계속해서, 초음파 용접을 행한다. 먼저 준비한 베이스 용기(2)의 패드막(5)의 표면에, 셀 리드(8)를 밀착시켜 위치 결정했다. 초음파 용접은, 셀 리드(8)를 한쪽씩 행했다(S33). 초음파 용접기의 발진 주파수는 40kHz로 했다. 용접 혼은 철제이며, 같은 재료로 이루어지는 초음파 용접용 팁(20)은 혼의 선단에 일체형으로 설치되어 있다. 초음파 용접용 팁(20)의 표면에는, 2.0×1.5mm의 영역에, 0.2mm피치의 지그재그 격자 형상의 요철 패턴(널)을 형성했다. 산의 높이와 골짜기 바닥의 차는 0.2mm이다. 용접의 모드는, 용접 중에 셀 리드(8)에 공급하는 에너지를 제어하는 모드로 하고, 용접 에너지의 설정값을 50~100J의 범위로 하며, 용접 시간을 50~2000msec의 범위로 했다. 초음파 용접용 팁(20)이, 에어 기구에 의해 알루미늄으로 이루어지는 셀 리드(8)의 표면에 강하한 후, 셀 리드(8)의 표면에 파고들어, 셀 리드(8)와 패드막(5)의 계면 사이에 진동함으로써 용접이 행해진다.
용접 종료 후, 셀 리드(8)를 접어 넣도록 하여 셀(6)을 베이스 용기(2) 중에 수납했다. 이때에, 셀 리드(8)가 씰 링(9)에 혼촉하지 않도록 주의했다(S34). 셀의 쇼트를 회피하기 위함이다.
다음에, 셀(6)이 수납된 베이스 용기(2)를, 액체의 전해질(7) 중에 침지시켜, 1시간 진공 탈포했다. 여기서, 전해질(7)의 지지염은 스피로비피롤리디늄테트라플루오로보레이트이며, 비수용매로서 폴리카보네이트와 에틸렌카보네이트의 혼합액을 이용했다(S35). 계속해서, 대기압으로 되돌리고, 전해질(7) 중으로부터 셀(6)이 수납된 베이스 용기(2)를 꺼낸 후에, 질소 분위기하에서 리드(10)를 씰 링(9)에 맞닿게 하고, 장변측의 2점의 가용접을 행하며, 계속해서 장변측과 단변측을 이 순서대로 연속해 저항 심 용접을 행하여 기밀로 실링했다(S36). 이와 같이 하여 본 실시 형태의 전기 이중층 캐패시터를 제작했다. 또한, 마지막으로 제작한 전기 이중층 캐패시터의 전기 특성 검사를 행한다(S37). 항목으로서는 등가 직렬 저항 및 용량의 측정인데 이것에 한정되지 않는다.
(변형예 1)
본 실시 형태의 변형예 1은, 비아 배선(3)의 배치를 변경한 것이다. 상술한 대로, 용접 부분(5a)과 비아 배선(3)의 수평 거리(L)에 대해 소정 조건을 만족할 수 있으면, 패드막(5)의 형상이나 비아 배선(3)의 설치 위치를 바꿀 수 있다. 즉, 패드막(5)의 면적을 크게 하거나, 도 6(a)~(c)에 도시하는 바와 같이, 비아 배선(3)의 위치를 변경할 수 있다.
도 6(a)는, 비아 배선(3)을 패드막(5)의 네 모서리 옆에 대어 배치한 예이다. 이에 의해, 용접 부분(5a)을 패드막(5)의 중앙에 확보할 수 있기 때문에, 초음파 용접용 팁(20)을 꽉 누르기 쉬워, 용접시의 작업성이 향상한다.
도 6(b)는, 비아 배선(3)을 외장 용기의 장변 방향의 중심선상에 배치한 예이다. 이에 의해, 1개의 셀 리드(8)를 2개소에서 강고하게 용접할 수 있기 때문에, 그 후의 조립 공정에 대해 기계적 강도를 유지할 수 있다. 또, 만일 한쪽의 용접이 벗겨져도, 다른쪽의 용접에 의해 패드막(5)과의 접속을 유지할 수 있다.
도 6(c)는, 비아 배선(3)을 양극의 패드막(5)의 중심측 옆에 대어 배치한 예이다. 이에 의해, 셀 리드(8)의 길이 방향에 대해 충분한 용접 면적을 확보할 수 있다.
(변형예 2)
본 실시 형태의 변형예 2에 대해 도 7을 이용하여 설명한다. 도 7(a)는 본변형예의 단면을 도시하는 도이다. 도 7(b)는 본 변형예의 배선 패턴을 도시하는 도이고, 전면에 걸친 배선 패턴의 예를 도시하는 도이다. 도 7(c)는 본 변형예의 다른 배선 패턴의 예를 도시한다. 도 7(a)에 도시하는 전기 화학 셀(1)에서는, 비아 배선(3)을 베이스 바닥면(2c)으로부터 베이스 하면(2d)에 직접 관통시킨 것이 아니라, 비아 배선(3)을 베이스 바닥부(2a)를 구성하는 2매의 판인 베이스 제1 바닥부(2f)와 베이스 제2 바닥부(2g)의 계면에서 멈춘 구조로 되어 있다. 이 계면에는, 배선 패턴(30)이 형성되어 있다. 배선 패턴(30)은, 비아 배선(3)과 접속하고, 수평으로 연장 돌출되어 외면에 노출하며, 또한 접속 단자(4)에 접속한 구성이다.
패드막(5)은, 상술한 것과 마찬가지로, 알루미늄막이 5㎛ 내지 100㎛의 두께로 형성된 것이다. 셀(6)에 접속하는 한 쌍의 셀 리드(8)는, 패드막(5)에 용접으로 접속되어 있다. 또, 전해질(7)이 충전된 후, 베이스 용기(2)와 리드(10)는 기밀로 실링되어, 외장 용기를 구성하고 있다.
도 7(b)에 도시하는 바와 같이, 베이스 제2 바닥부(2g)의 계면에는, 비아 배선(3)에 접속하는 텅스텐 등의 금속막으로 이루어지는 배선 패턴(30)이, 사선으로 나타내지는 바와 같이 전면에 걸쳐 넓은 면적으로 설치되어 있다. 그리고, 베이스 제2 바닥부(2g)의 장변측의 단부에 수평으로 꺼내져, 측면까지 연장되어 있다. 그리고, 그 연장부가 접속 단자(4)에 접속되어 있다. 이러한 전면에 걸친 배선 패턴으로 하고 있으므로, 배선 패턴이 가지는 저항값을 낮게 억제할 수 있다.
한편, 도 7(c)는, 직선의 배선 패턴(30a)이, 비아 배선(3)에 대응하는 각 포인트로부터, 베이스 측면(2e)을 향해 연장 돌출된 것이다. 이와 같이, 배선 패턴은 전면에 걸친 형상에 한정되지 않는다. 단, 이 경우에는, 배선 패턴(30a)이 가지는 저항값은, 앞선 도 7(b)에 비해 높아진다. 그로 인해, 비아 배선(3)의 수, 배선 패턴(30a)의 폭과 길이, 배선 패턴(30a)의 시트 저항값을 감안하여, 배선 패턴(30a)을 결정할 필요가 있다.
본 변형예가 도시하는 바와 같이, 비아 배선(3)은, 베이스 바닥면(2c)으로부터 베이스 하면(2d)을 직접 관통시킨 구조가 아니어도 되고, 적절한 저항값을 가지는 배선 패턴(30 및 30a)과 결합함으로써, 본 실시 형태의 목적으로 하는 대전류 방전 용도로 이용할 수 있다.
(변형예 3)
본 실시 형태의 변형예 3에 대해 도 8에 의거하여 설명한다. 본 변형예의 전기 화학 셀(1)은, 세라믹스의 평판만으로 이루어지는 베이스 용기(2)와, 오목 형상으로 이루어지는 금속제의 캐비티형 리드(10a)를 외장 용기로 한 것이고, 도 8(a)는, 단면도를 도시하고 있다. 외장 용기의 내부에는, 본 실시 형태와 마찬가지로, 셀(6)과, 한 쌍의 셀 리드(8)와, 전해질(7)이 수납되고, 셀 리드(8)와 베이스 용기(2)에 형성된 패드막(5)은 용접에 의해 접속되어 있다.
도 8(a)에 도시하는 바와 같이, 캐비티형 리드(10a)는, 셀(6) 등을 덮도록, 그 개구부를 베이스 용기(2)의 주위에 설치된 씰 링(9)에 맞닿게 하여 용접되어 있다. 이 용접에는, 레이저에 의한 심 용접이 바람직하다. 또, 심 용접을 행할 때는, 도 8(a) 화살표 방향으로부터 주사 조사된다. 롤러 전극을 이용한 저항 심 용접에서는, 롤러 전극이 캐비티형 리드(10a)의 단차에 접촉하기 쉬워, 롤러 전극을 접합부에 적절히 맞닿게 하는 것이 어려워진다.
캐비티형 리드(10a)에서는, 캐비티형 리드(10a)의 바닥면부(도 중에서는 상단부)에 작은 구멍을 설치하고 있다. 이것은, 베이스 용기(2)와 캐비티형 리드(10a)를 용접한 후에, 전해질(7)을 이 작은 구멍으로부터 충전하고, 그 후에 실링 마개(10b)를 이용하여 기밀로 실링할 수 있도록 의도된 것이다. 이에 의해, 베이스 접합용 금속층(5)과 캐비티형 리드(10a)의 접합면 사이에 전해질(7)이 존재하는 것에 의한, 실링 작업의 능률 저하를 막을 수 있다. 베이스 용기(2)의 내측면에 형성되는 패드막(5)의 재료나 그 두께의 범위, 비아 배선(3)의 구조나 그 개수, 셀 리드(8)와 패드막(5)의 접합 수단은, 상술과 마찬가지이므로 기재를 생략한다.
도 8(b)에 도시하는 전기 화학 셀(1)은, 도 8(a)와 같은 구성이지만, 평판 형상의 베이스 용기(2)의 주위에 배치되는 씰 링(9)이, 베이스 용기(2)에 설치된 스텝에 끼워넣어져 있으며, 씰 링(9)과 베이스 내측면의 높이의 차가 충분히 작게 억제되어 있다. 이에 의해, 캐비티형 리드(10a)를 거꾸로 한 상태로 전해질(7)을 충전한 후에, 셀(6)을 캐비티형 리드(10a) 중에 배치하더라도, 캐비티형 리드(10a)로부터 흘러넘치는 전해질량을 줄일 수 있다. 따라서, 도 8(b)의 구성으로 함으로써, 전해질(7)이 충전된 상태에서도 베이스 용기(2)와 캐비티형 리드(10a)의 용접을 용이하게 행할 수 있다. 그로 인해, 도 8(a)에 도시한 바와 같은 캐비티형 리드(10a)의 작은 구멍은 불필요하며, 실링 마개(10b)에 의한 실링 공정도 생략할 수 있다.
(변형예 4)
본 실시 형태의 변형예 4에 대해 도 9를 이용하여 설명한다. 도 9(a)에, 본변형예에서 이용하는 베이스 용기(2)를 도시했다. 본 변형예에서는, 베이스 용기(2)가, 세라믹스제의 평판과, 평판에 접합된 금속제의 통 형상의 금속 측벽(12)으로 구성되어 있으며, 이에 의해 오목 형상의 용기를 이루고 있다. 베이스 용기(2)의 베이스 바닥면(2c)에는, 베이스 벽부(2b)를 직접 관통하는 비아 배선(3)이 설치되고, 그 위에 패드막(5)이 한 쌍 배치되어 있다. 금속제의 금속 측벽(12)은, 열팽창율이 베이스 용기(2)와 매칭되도록 선택되고, 평판에 납재로 접합되어 있다. 한편, 반대측의 개구부는, 리드(10)의 접합면을 형성하고 있다. 본 변형예에서는, 리드(10)를 실링하기 위한 씰 링(9)은 불필요하며, 금속 측벽(12) 그 자체가 씰 링(9)의 역할도 하고 있다. 그로 인해, 적어도 리드(10)와 접합하는 면에는, 니켈과 금의 도금막이 형성되어 있고, 리드(10)는, 도금면에 맞닿아, 저항 심 용접이나 레이저 심 용접을 이용하여 접합이 가능하도록 구성되어 있다.
도 9(b)는, 평판 형상의 베이스 용기(2)를 이용한 전기 화학 셀(1)의 단면도를 도시한다. 셀(6)에 접속하는 한 쌍의 셀 리드(8)가 용접 수단과 패드막(5)에 접속되고, 비아 배선(3)에 의해, 접속 단자(4)에 접속되어 있다. 외장 용기 내에는, 전해질(7)이 충전되고, 리드(10)에 의해 기밀로 실링되어 있다. 패드막의 재질이나 그 두께는 상술과 같다. 금속 측벽(12)는, 금속제이므로, 여러가지 형상으로 가공하는 것이 가능하다. 또 그 형상은, 각, 트랙 형상, 타원, 원 등의 선택이 가능하다. 특히, 규격품의 중공 파이프를 임의의 길이로 절단하여 이용하면, 전기 화학 셀(1)의 높이를 자유롭게 결정할 수 있는 데다가, 제조 비용의 저감을 도모할 수 있다.
도 9(c)에 도시하는 전기 화학 셀(1)에서는, 도 9(b)와 마찬가지로 금속제의 금속 측벽(12)을 이용하고 있는데, 패드막(5)은 양극측에만 한정한 예이다. 양극 셀 리드(8b)는 패드막(5)에 초음파 용접으로 접속되는 한편, 음극 셀 리드(8c)는, 금속제의 금속 측벽(12)의 내측에 용접으로 접속되어 있다. 또한, 음극에 대응하는 접속 단자(4)는, 금속 측벽과 전기적으로 접속하도록 구성되어 있다. 이에 의해, 금속 측벽(12)이 금속제이고, 또한 전류가 흐르는 경로가 크기 때문에, 음극측의 배선 저항값은 낮게 억제된다. 따라서, 본 실시 형태의 전기 화학 셀(1)도 대전류 방전이 가능해진다.
(변형예 5)
본 실시 형태의 변형예 5에 대해 도 10을 이용하여 설명한다. 도 10은, 전기 화학 셀(1)의 단면을 도시하는 것이고, 세라믹으로 이루어지는 오목 형상의 베이스 용기(2)의 베이스 바닥면(2c)에는, 상술과 마찬가지로 알루미늄막으로 이루어지는 패드막(5)이 설치되고, 비아 배선(3)에 의해 접속 단자(4)에 접속된 구성을 이룬다. 본 변형예에서는, 비아 배선(3) 및 패드막(5)은 양극측에만 설치되어 있다. 그리고, 권회법이나 적층법 등에 의해 구성된 셀(6)에 접속하는 한 쌍의 셀 리드(8) 중, 양극 셀 리드(8b)가 패드막(5)에 초음파 용접으로 접속되어, 충분히 낮은 접속 저항값을 실현하고 있다.
한편, 음극 셀 리드(8c)는 리드(10)의 내면측에 접속된 구조를 가지고 있다. 음극 셀 리드(8c)의 재질이 각각 알루미늄, 구리, 또는 니켈의 박판이나 박으로 이루어지는 경우여도, 금속제의 리드(10)에 초음파 용접, 레이저 스팟 용접, 저항 스팟 용접, 아크 용접 등의 주지의 용접법으로 접속하는 것이 가능하다. 따라서, 음극측도 접속 저항값을 충분히 낮게 억제하는 것이 가능하다.
음극측의 접속 단자(4)는 베이스 하면(2d)으로부터 베이스 측면(2e)을 따라 씰 링(9)에 연장 설치되어 있고, 리드(10)와 전기적으로 접속된다. 연장 설치되는 부분을 연장 설치부(4b)로 했다. 연장 설치부(4b)의 도체의 길이, 폭과 두께를 조정함으로써 연장 설치부(4b)의 직류 저항값을 낮게 억제할 수 있으므로, 음극측의 배선 저항값을 크게 증대시키는 일 없이 구성할 수 있다.
외장 용기 내에는 전해질(7)이 충전되고, 리드(10)가 씰 링(9)에 용접되어 기밀 용기를 이룬다. 리튬 이온 이차 전지에서는 음극의 집전체 재료로서 구리박, 셀 리드로서는 니켈의 박판이 관용되는데, 본 변형예를 적용하는 것이 가능하다. 따라서, 높은 기밀 특성을 가지는 고신뢰의 소형, 박형의 리튬 이온 이차 전지를 제조할 수 있다.
또한, 연장 설치부(4b)는 본 변형예에서는 용기의 외측에 설치했다. 리드(10)와 접속 단자(4)의 접속은 이것에 한정하는 일 없이, 씰 링(9)의 하부에 구멍을 설치하고, 내면에 도체 재료를 형성하여 접속 단자(4)에 접속하는 구조로 하는 것도 용이하다.
[실시예]
실시예 및 비교예로서, 패키지의 내부 바닥면을 8.4×3.4mm, 비아 배선(3)의 외경을 0.2mm로 한 전기 화학 셀(1)에 있어서, 도 11에 도시하는 바와 같이, 각 부의 치수를 정의한다. 여기서, 모든 실시예 및 비교예에 있어서의 용접 부분(5a)의 범위(W2×D2)를 2.0×1.5mm로 했을 때, 용접 부분(5a)과 비아 배선(3)의 수평 거리(L)에 대한, 불량률(%)에 대해 평가를 행한다. 이때의 설계 사항으로서, 비아 공차(a)는 0.15mm로 하고 있다. 또한, 실시예 1 및 비교예 1의 비아 배선(3)은 도 11(a)에 도시하는 바와 같이 양극·음극 더불어 4개의 비아 배선(3)을 패드막(5)의 하방 1개소에 배치하고, 실시예 2 및 비교예 2의 비아 배선(3)은 도 11(b)에 도시하는 바와 같이 양극·음극 더불어 4개의 비아 배선(3)을 패드막(5)을 사이에 끼워 상하 1개소씩에 배치했다. 또한, 각 조건에 있어서의 검체수는 n=20으로 했다.
불량률은, 플로팅 시험(2.5V 연속 충전하고, 환경 온도 70℃ 중, 500시간 보존) 후에 초기 용량으로부터의 유지율이 50% 이하인 비율을 %로 나타내고 있다.
초음파 용접은, 초음파 용접기(브랜슨：947M)의 발진 주파수는 40kHz, 용접 시간은 50~2000msec, 용접시 에너지는 50~100J로 되어 있다. 또, 용접 부분(5a)의 공차(b)는, 혼을 압접했을 때의 수평 방향의 진동을 고려하여 0.05mm로 되어 있다.
평가 결과를 하기 표 1에 기재한다.
[표 1]
Figure pat00001
상기 표 1대로, 용접 부분(5a)과 비아 배선(3)의 수평 거리(L)가 0.65mm인 실시예 1 및 L이 0.275mm인 실시예 2에서는, 불량률은 0이다.
한편, L이 0.15mm인 비교예 1에서는, 불량률이 10%가 된다. 초음파 용접에 의한 용접의 결과, 비아 배선(3) 부근의 패드막(5)의 밀착성이 없어지거나, 혹은 패드막(5) 자체에 균열이나 찢어짐이 생기는 등의 문제점이 발생했기 때문이다. 또, L이 0.025mm인 비교예 2에서는, 불량률이 45%가 된다. 이 경우도 초음파 용접에 의한 용접의 결과, 비아 배선(3) 부근의 패드막(5)의 밀착성이 없어지거나, 혹은 패드막(5) 자체에 균열이나 찢어짐이 생기는 등의 문제점이 발생하고 있다. 즉, L의 거리가 짧아짐과 더불어 불량률은 증가하고 있다.
따라서, 용접 부분(5a)과 비아 배선(3)의 수평 거리(L)는 비아 배선(3)의 외경과 거의 동일한 정도의 거리인 0.2mm, 보다 바람직하게는 0.205mm를 경계로, 패드막(5)이 베이스 바닥면(2c)으로부터 벗겨지는 등의 문제점이 발생하지 않게 된다.
여기서 (식 1)에 대해, 비아 배선(3)의 설치 위치에 관한 공차(a)의 값 0.15로부터 도출되는 L은 L≥0.195mm가 된다. 즉, 비아 배선(3)의 설치 위치에 관한 공차(a)를 고려하면, 용접 부분(5a)과 비아 배선(3)의 수평 거리(L)는 상기 공차(a)의 1.3배 이상의 마진을 확보하면, 문제점이 발생하지 않는 것이 인정되었다.
또 (식 2)에 대해, 비아 배선(3)의 설치 위치에 관한 공차(a)의 값 0.15 및 용접 위치의 공차(b)의 값 0.05mm로부터 도출되는 L은 L≥0.205mm가 된다. 즉, 비아 배선(3)의 설치 위치에 관한 공차(a) 및 패드막(5)에 있어서의 용접 부분(5a)의 위치의 공차(b)를 고려하면, 용접 부분(5a)과 비아 배선(3)의 수평 거리(L)는, 공차(a) 및 공차(b)의 합의 1.026배 이상의 마진을 확보하면, 문제점이 발생하지 않는 것이 인정되었다.
(총괄)
비교예 1, 2에서는, 용접 부분(5a)과 비아 배선(3)의 수평 거리(L)를 충분히 확보할 수 없기 때문에, 용접 공정에 있어서의 제조의 편차에 의해, 비아 배선(3)의 위치에서 셀 리드(8)와 용접되는 경우가 있다. 이때, 용접시의 압력, 열, 진동에 의해, 패드막(5)의 베이스 바닥면(2c)이나 비아 배선(3)에 대한 밀착성의 저하나, 패드막(5) 자체에 균열이나 찢어짐이 발생하는 경우가 있다. 이에 비해, 실시예 1, 2에서는, 용접 부분(5a)과 비아 배선(3)의 수평 거리(L)를 충분히 확보할 수 있기 때문에, 용접시의 압력, 열, 진동의 영향을 피할 수 있다. 이에 의해, 패드막(5)의 베이스 바닥면(2c)이나 비아 배선(3)에 대한 밀착성이 없어지지 않거나, 혹은 패드막(5) 자체에 균열이나 찢어짐이 발생하지 않기 때문에, 패드막(5)과 비아 배선(3)의 전기적인 접속을 확보함과 더불어, 비아 배선(3)을 전해질(7)로부터 확실히 보호할 수 있다.
또한, 비아 배선(3)과 용접 부분(5a)의 거리를 충분히 확보함으로써, 바꾸어 말하면, 비아 배선(3) 근방의 패드막(5)의 면적을 충분히 확보함으로써, 용접시의 위치 결정 정밀도에 여유를 갖게할 수 있다. 이때, 비아 배선(3)을 패드막(5)의 구석이나 중앙부에 한데 모아 배치함으로써, 용접 부분(5a)의 면적을 보다 크게 확보할 수 있고, 패드막(5)과 셀 리드(8)의 접합 강도를 확보할 수 있다. 또, 접촉 저항을 충분히 작게 하는 것이 가능해진다.
본 실시 형태는, 본 명세서에 기술된 변형예나 실시예에 한정되는 일 없이, 실시 형태의 요지를 일탈하는 일 없이 그 외 여러 가지의 구성을 취할 수 있는 것은 물론이다. 예를 들어, 청구항에서 한정하지 않는 한, 리드는 금속에 한정되는 일 없이, 세라믹, 유리, 수지 등을 이용하는 것이 가능하며, 재료에 따라 여러가지 실링의 수단이 가능하다.
1 전기 화학 셀
2 베이스 용기
2a 베이스 바닥부
2b 베이스 벽부
2c 베이스 바닥면
2d 베이스 하면
2e 베이스 측면
2f 베이스 제1 바닥부
2g 베이스 제2 바닥부
3 비아 배선
4 접속 단자
4b 연장 설치부
5 패드막
5a 용접 부분
6 셀
7 전해질
8 셀 리드
8a 용접 영역
8b 양극 셀 리드
8c 음극 셀 리드
9 씰 링
10 리드
10a 캐비티형 리드
10b 실링 마개
12 금속 측벽
20 초음파 용접용 팁
20a 팁 선단
30, 30a 배선 패턴

Claims (2)

  1. 베이스 용기와
    상기 베이스 용기 중에 수납되는 셀과,
    상기 셀의 연장부인 복수의 셀 리드와,
    상기 베이스 용기의 바닥면에 형성된 밸브 금속으로 이루어지는 패드막과,
    상기 패드막과 접속되고, 또한 상기 베이스 용기의 바닥면부터 하면에 걸쳐 형성된 베이스 내 배선을 적어도 가지는 전기 화학 셀로서,
    적어도 상기 하나의 셀 리드와 상기 패드막은 초음파 용접에 의해 고정되어 있고,
    상기 패드막에 있어서의 용접 부분과 상기 베이스 내 배선의 수평 거리를 L로 하고, 상기 베이스 내 배선의 설치 위치에 관한 공차를 a로 하면, L≥a×1.3인 것을 특징으로 하는 전기 화학 셀.
  2. 베이스 용기와
    상기 베이스 용기 중에 수납되는 셀과,
    상기 셀의 연장부인 복수의 셀 리드와,
    상기 베이스 용기의 바닥면에 형성된 밸브 금속으로 이루어지는 패드막과,
    상기 패드막과 접속되고, 또한 상기 베이스 용기의 바닥면부터 하면에 걸쳐 형성된 베이스 내 배선을 적어도 가지는 전기 화학 셀로서,
    적어도 상기 하나의 셀 리드와 상기 패드막은 초음파 용접에 의해 고정되어 있고,
    상기 패드막에 있어서의 용접 부분과 상기 베이스 내 배선의 수평 거리를 L로 하고, 상기 베이스 내 배선의 설치 위치에 관한 공차를 a로 하며, 상기 패드막에 있어서의 용접 부분의 위치의 공차를 b로 하면, L≥(a＋b)×1.026인 것을 특징으로 하는 전기 화학 셀.
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Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102209825B1 (ko) * 2016-07-21 2021-01-29 삼성에스디아이 주식회사 배터리 모듈
US11830672B2 (en) 2016-11-23 2023-11-28 KYOCERA AVX Components Corporation Ultracapacitor for use in a solder reflow process
JP6947575B2 (ja) 2017-07-31 2021-10-13 株式会社Ｇｓユアサ 蓄電素子の製造方法
JP7137965B2 (ja) * 2018-05-21 2022-09-15 日本特殊陶業株式会社 液分含有電解質充填用セラミックパッケージ
US11309135B2 (en) * 2019-01-11 2022-04-19 Ngk Spark Plug Co., Ltd. Ceramic package
CN110803011B (zh) * 2019-10-31 2021-05-07 北京三快在线科技有限公司 动力电池安装结构及车辆
WO2023140190A1 (ja) * 2022-01-21 2023-07-27 京セラ株式会社 電池用パッケージおよび電池モジュール

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100689574B1 (ko) * 2000-03-14 2007-03-02 마츠시타 덴끼 산교 가부시키가이샤 2차 전지와 그 리드접합방법 및 이것을 이용한 전지전원장치
JP5429773B2 (ja) * 2008-08-05 2014-02-26 古河電池株式会社 パック電池
US9818990B2 (en) * 2010-08-27 2017-11-14 Samsung Sdi Co., Ltd. Battery pack with shock absorber
JP2012084319A (ja) * 2010-10-08 2012-04-26 Auto Network Gijutsu Kenkyusho:Kk 組電池用バスバー及びバスバーモジュール
US9065085B2 (en) * 2011-04-19 2015-06-23 Samsung Sdi Co., Ltd. Battery pack
JP6058909B2 (ja) * 2011-06-24 2017-01-11 セイコーインスツル株式会社 電気化学セル及びその製造方法

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